Onderzoekers ontwerpen een pulserende nanomotor

Onderzoekers ontwerpen een pulserende nanomotor

Tijdstempel: 19 oktober 2023 10:37 uur
Bronknooppunt: 2945091
19 okt 2023 (Nanowerk Nieuws) Een internationaal team van wetenschappers onder leiding van de Universiteit van Bonn heeft een nieuw type nanomotor ontwikkeld. Hij wordt aangedreven door een slim mechanisme en kan pulserende bewegingen uitvoeren. De onderzoekers zijn nu van plan om hem te voorzien van een koppeling en als aandrijving in complexe machines te installeren.

Key Takeaways

  • Onderzoekers hebben een nieuw type nanomotor ontwikkeld die pulserende bewegingen uitvoert die lijken op een handgreeptrainer, maar dan een miljoen keer kleiner is.
  • De nanomotor maakt gebruik van RNA-polymerasen om langs een DNA-streng te bewegen, waarbij de handvatten in een cyclus dichter bij elkaar worden getrokken, waardoor de functie van eiwitten in cellen wordt nagebootst.
  • Deze unieke motor wordt aangedreven door nucleotidetrifosfaten, dezelfde energiebron die door cellen wordt gebruikt om eiwitten te maken.
  • Er is aangetoond dat de motor gemakkelijk te combineren is met andere structuren, wat erop wijst dat hij mogelijk kan worden gebruikt in complexe nanomachines.
  • Er wordt verder gewerkt aan het optimaliseren van de prestaties van de nanomotor, inclusief de ontwikkeling van een koppelingssysteem om de activiteit ervan te controleren.
    • een nieuw type nanomotor met een RNA-polymerase, die de twee ‘handvatten’ samentrekt en vervolgens weer loslaat. Hierdoor ontstaat een pulserende beweging. Het nieuwe type nanomotor met een RNA-polymerase, die de twee ‘handvatten’ naar elkaar toe trekt en ze vervolgens weer loslaat. Hierdoor ontstaat een pulserende beweging. (Afbeelding: Mathias Centola, Universiteit van Bonn)

    Het Onderzoek

    De bevindingen van het team zijn nu in het tijdschrift verschenen Natuur Nanotechnologie (“Een ritmisch pulserende DNA-origami-nanomotor met bladveer die een passieve volger aandrijft”). Dit nieuwe type motor is vergelijkbaar met een handgreeptrainer die uw grip versterkt bij regelmatig gebruik. De motor is echter ongeveer een miljoen keer kleiner. Twee handgrepen zijn verbonden door een veer in een V-vormige structuur. Bij een handgreeptrainer knijp je de handvatten tegen de weerstand van de veer in. Zodra u uw greep loslaat, duwt de veer de handgrepen terug naar hun oorspronkelijke positie. “Onze motor maakt gebruik van een zeer vergelijkbaar principe”, legt prof. dr. Michael Famulok van het Life and Medical Sciences (LIMES) Instituut van de Universiteit van Bonn uit. “Maar de handvatten worden niet tegen elkaar gedrukt, maar samengetrokken.” Voor dit doel hebben de onderzoekers een mechanisme hergebruikt zonder welke er geen planten of dieren zouden zijn. Elke cel is uitgerust met een soort bibliotheek. Het bevat de blauwdrukken voor alle soorten eiwitten die de cel nodig heeft om zijn functie te vervullen. Als de cel een bepaald type eiwit wil produceren, bestelt hij een kopie van de betreffende blauwdruk. Dit transcript wordt geproduceerd door RNA-polymerasen.

    RNA-polymerasen sturen de pulserende bewegingen aan

    De originele blauwdruk bestaat uit lange DNA-strengen. De RNA-polymerasen bewegen zich langs deze strengen en kopiëren de opgeslagen informatie letter voor letter. “We hebben een RNA-polymerase genomen en deze aan een van de handvatten van onze nanomachine bevestigd”, legt Famulok uit, die ook lid is van de transdisciplinaire onderzoeksgebieden “Life & Health” en “Matter” aan de Universiteit van Bonn. “In de directe nabijheid hebben we ook een DNA-streng tussen de twee handvatten gespannen. Het polymerase grijpt zich vast aan deze streng om deze te kopiëren. Het trekt zichzelf langs de stand en het niet-getranscribeerde gedeelte wordt steeds kleiner. Hierdoor wordt de tweede handgreep beetje bij beetje naar de eerste getrokken, terwijl tegelijkertijd de veer wordt samengedrukt.” De DNA-streng tussen de handvatten bevat kort voor het einde een bepaalde reeks letters. Deze zogenaamde terminatiesequentie geeft aan het polymerase het signaal dat het het DNA moet loslaten. De veer kan nu weer ontspannen en beweegt de handgrepen uit elkaar. Hierdoor komt de startsequentie van de streng dichtbij het polymerase en kan de moleculaire kopieermachine een nieuw transcriptieproces starten: de cyclus herhaalt zich dus. “Op deze manier voert onze nanomotor een pulserende actie uit”, legt Mathias Centola van de onderzoeksgroep onder leiding van prof. Famulok uit, die een groot deel van de experimenten uitvoerde.

    Een alfabetsoep dient als brandstof

    Ook deze motor heeft net als ieder ander type motor energie nodig. Het wordt geleverd door de ‘alfabetsoep’ waaruit het polymerase de transcripten produceert. Elk van deze letters (in technische terminologie: nucleotiden) heeft een kleine staart bestaande uit drie fosfaatgroepen: een trifosfaat. Om een ​​nieuwe letter aan een bestaande zin te kunnen koppelen, moet het polymerase twee van deze fosfaatgroepen verwijderen. Hierbij komt energie vrij die hij kan gebruiken om de letters met elkaar te verbinden. “Onze motor gebruikt dus nucleotidetrifosfaten als brandstof”, zegt Famulok. “Het kan alleen blijven draaien als er voldoende exemplaren beschikbaar zijn.” Door individuele nanomotoren te monitoren kon een van de samenwerkingspartners uit de Amerikaanse staat Michigan aantonen dat zij daadwerkelijk de verwachte beweging uitvoeren. Een onderzoeksgroep in Arizona simuleerde het proces ook op hogesnelheidscomputers. De resultaten kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om de motor te optimaliseren om met een bepaalde pulsatiesnelheid te werken. Bovendien konden de onderzoekers aantonen dat de motor gemakkelijk kan worden gecombineerd met andere constructies. Dit zou het bijvoorbeeld mogelijk moeten maken om over een oppervlak te dwalen – vergelijkbaar met een inchworm die zichzelf in zijn eigen karakteristieke stijl langs een tak trekt. “We zijn ook van plan een soort koppeling te produceren waarmee we de kracht van de motor alleen op bepaalde momenten kunnen benutten en hem anders stationair kunnen laten draaien”, legt Famulok uit. Op de lange termijn zou de motor het hart van een complexe nanomachine kunnen worden. “Er moet echter nog veel werk worden verzet voordat we dit stadium bereiken.”

    Tijdstempel:

    Meer van Nanowerk